一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁及制备方法

技术领域

本发明属于聚变反应堆技术，具体涉及一种具有阻氚功能的第一壁及制备方法。

背景技术

在一个聚变反应堆中，等离子体必须能够持续燃烧相当长的一段时间，真空室内直接面对这些高温等离子体的部件被称为面对等离子体部件(PFC)，这些部件包括第一壁和偏滤器。由于它们直接面对高温等离子体，因此涉及到耐高热负荷性能、溅射腐蚀、氢及其同位素的滞留、中子辐照效应等重要问题。在聚变反应堆中，第一壁作为保护反应堆真空室内壁免受高温等离子体直接辐照的屏障，是聚变反应堆中运行条件最苛刻、也最关键的部件之一。当等离子体作用于部件的表面时，由于辐射和等离子体辐照，第一壁会承受稳态和瞬态的高热负荷，同时会造成材料表面腐蚀和改性，并驱动氘、氚燃料渗透到第一壁部件的内部，造成燃料的损失。中子辐照则作用于整体，对面向等离子体部件造成损伤，导致材料性能退化，使化学成份、形貌、微观组织和热机械性能被显著改变。中子辐照所产生的离位损伤还可进一步为氚原子提供占位空间，造成氚燃料的消耗，降低反应堆系统的安全性和持续运行能力。同时，第一壁所吸收的来自于聚变反应所产生的热量中，由等离子体辐照所诱发的高热流虽然作用于部件表层，但仍能导致材料结构变化和部件连接界面受损(如裂纹、剥离、烧蚀和熔化等)。因此，聚变反应堆的第一壁结构要求能够承受很高的稳态和瞬态热负荷，并且在等离子体辐照环境下具有较小材料腐蚀(包括物理溅射和化学溅射腐蚀等)、氚燃料滞留和渗透少，同时要求中子辐照对第一壁结构影响较小。

钨材料因其高熔点、高热导率、低燃料滞留、低物理溅射、低活性等多方面特性而成为面向等离子体的首选材料，已经被广泛研究和应用。

低活化钢(低活化铁素体/马氏体钢-RAFM)由于在中子辐照作用下具有低活化性能、较低辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的物理和力学性能，以及相对较为成熟的技术基础，被广泛选用作为聚变反应堆结构材料。

现有类似的设计和技术主要是针对非稳态运行聚变实验装置进行的，而不是针对聚变反应堆的，而且主要是针对偏滤器部件的。主要是采用锻造钨的块体与低活化钢材料进行焊接结合的设计，这些结构没有阻氚功能，并且没有针对稳态运行的聚变反应堆第一壁的运行工况进行设计。

现有类似技术中阻氚涂层主要是针对聚变反应堆氚工厂的管路或者包层结构，它们无须面对稳态和瞬态的高热负荷以及由于瞬态等离子体事件造成的热疲劳效应，或者它们承受的中子辐照剂量很小。

现有类似技术的中间层或者阻氚涂层都具有以下特点之一：

(a)钨与低活化钢的连接使用焊接技术，不具有阻氚能力；

(b)使用非焊接技术与钨材料或者低活化钢材料两者之一进行结合，但不是作为钨和低活化钢二者连接的中间层，未能将钨与低活化钢有效连接；

(c)中间层为多层结构，非单一材料中间层；

(d)中间层不具有阻氚能力；

(e)中间层含有O、Ni、Mo等聚变反应堆避免使用或非优先使用材料；

(f)与中间层结合的钨材料为非厚钨涂层材料，或者非高纯钨材料，抗热冲击性能差。

在聚变反应堆中，必须保证第一壁具有良好的阻氚功能，减少氚累积，是保证氚循环和氚增殖需求以及满足核安全的必须要求；并且需要实现面向等离子体材料与结构材料的结合功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁及制备方法，能够满足聚变反应堆中对第一壁的苛刻工况要求，减小第一壁部件中氚滞留量，提高聚变反应堆氚循环效率，降低氚增殖和氚供给的需求。

本发明的技术方案如下：

一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁，包括面向等离子体材料、中间层和聚变反应堆结构材料，所述的等离子体材料直接接触等离子体，中间层位于等离子体材料和聚变反应堆结构材料之间；等离子体材料为钨涂层，聚变反应堆结构材料为低活化钢，中间层为氮化钛或TiN陶瓷涂层。

所述的中间层厚度为1.5-2.5微米。

所述的钨涂层厚度为0.2-3毫米。

一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁制备方法，采用如下步骤：

a)采用低活化钢作为基底，并清洗；

b)在基底上采用化学气相沉积制备TiN陶瓷涂层；

c)在TiN陶瓷涂层上制备钨涂层；

d)对c)步骤得到样品进行热振实验；

e)对d)步骤得到样品等离子体辐照实验。

所述的低活化钢为CLF-1。

步骤b)在基底上采用化学气相沉积制备TiN陶瓷涂层，使用体积比为2:6:1 的TiCl

所述的TiN陶瓷涂层厚度为1.5-2.5微米。

步骤c)在TiN陶瓷涂层上制备钨涂层，使用摩尔比为1:3的WF

所述的钨涂层厚度为0.5-1.5毫米。

热振实验是指，将样品加热到700℃并保持12分钟，然后将样品投入水中冷却至室温，如此反复冷却和加热11次，样品保持完好则实验通过；等离子体辐照实验是指，将样品置于氢等离子体装置中进行等离子体辐照，等离子体束流密度1×10

本发明的显著效果如下：

设计的第一壁结构没有采用钨块，而是采用厚钨涂层设计，完全可以满足第一壁工况要求和使用寿命要求，同时由于第一壁面积很大，用厚钨涂层取代钨块，满足了重量要求的同时大大提高经济性。另外，用钨涂层取代钨块，还能显著降低等离子体运行过程中的感应电流及相应的电磁载荷。而且，本第一壁结构采用化学气相沉积(CVD)厚钨涂层工艺，制备得到的钨涂层具有高纯度、抗热冲击性能好的特点。

由于钨与低活化钢材料的热膨胀系数差别较大，未见现有技术使用单一过渡层(非焊接方式)有效连接钨与低活化钢，本方法中采用氮化钛(TiN)或类似阻氚涂层的单一涂层形式，可以有效连接钨与低活化钢材料，同时第一壁结构具有良好的阻氚能力。

第一壁结构，以结构材料低活化钢为基体，中间层为氮化钛陶瓷或类似的防氚渗透层，最外层是面对等离子体的厚钨涂层。既能够满足聚变反应堆中第一壁的苛刻工况要求(高热负荷、强等离子体束流、中子辐照等)，又减小了第一壁部件中氚滞留量，从而提高了聚变反应堆氚循环效率，降低了氚增殖和氚供给的需求。

附图说明

图1为用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁示意图；

图中：1.等离子体；2.等离子体材料；3.中间层；4.聚变反应堆结构材料。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁包括面向等离子体材料2、中间层3和聚变反应堆结构材料4。

其中面向等离子体材料2直接接触等离子体1，等离子体材料2和聚变反应堆结构材料4之间为中间层3。

等离子体材料2为化学气相沉积的钨涂层(CVD-W)，聚变反应堆结构材料 4为低活化钢，中间层3为氮化钛(TiN)或类似的阻氚涂层。

钨涂层-中间层-低活化钢材料构成了第一壁的三明治结构。

中间层3兼具连接功能和阻氚功能，可以可靠结合钨涂层和低活化钢，有效地解决钨与钢在第一壁工况条件下的热应力问题，使二者结合性能良好；同时，采用氮化钛或类似的阻氚涂层具有良好阻氚性能，可以有效防止氚渗透，降低第一壁结构的氚滞留，提高聚变反应堆的氚循环效率。

等离子体材料2为高纯、全致密厚钨涂层。制备方式为化学气相沉积(CVD)，钨纯度为99.9999wt.％，涂层厚度为0.2-3毫米；

中间层3为单一过渡层结构，过渡层材料为TiN或类似的阻氚涂层，采用化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)工艺制备，中间层的厚度为 1.5-2.5微米；

基底为聚变反应堆结构材料4，采用低活化钢，具有较好的中子辐照性能。

制备方法具体如下。

实施例1

(a)基材为聚变反应堆结构材料4，采用低活化钢(型号CLF-1)。样品尺寸为10毫米*10毫米*5毫米。

(b)将步骤(a)得到基材样品进行清洗，然后在基材上利用CVD(化学气相沉积)方法制备TiN陶瓷涂层。使用TiCl

(c)在步骤(b)得到的TiN涂层上制备高纯钨涂层。使用WF

(d)对步骤(c)制备完成的样品进行热振实验。将样品加热到700℃并保持12分钟，然后将样品投入水中冷却至室温。如此反复冷却和加热11次，样品保持完好。

(e)将步骤(d)的样品进行高热负荷、高束流等离子体辐照实验。将样品置于氢等离子体装置中进行等离子体辐照，等离子体束流密度 1×10

实施例2

本发明提供的一种用于聚变反应堆的具有阻氚功能的第一壁结构。具体实施如下：

(a)基材为聚变反应堆结构材料4，采用低活化钢(型号CLF-1)。样品尺寸为10毫米*10毫米*5毫米。

(b)将步骤(a)得到基材样品进行清洗，然后在基材上利用CVD方法制备TiN陶瓷涂层。使用TiCl

(c)在步骤(b)得到的TiN涂层上制备高纯钨涂层，使用WF

(d)对步骤(c)制备完成的样品进行热振实验。将样品加热到700℃并保持12分钟，然后将样品投入水中冷却至室温。如此反复冷却和加热11次，样品保持完好。

(e)将步骤(d)的样品进行稳态和瞬态高热负荷、高束流等离子体辐照实验。将样品置于氢等离子体装置中进行等离子体辐照，等离子体束流密度 2×10

本发明不限于上述实施例，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。